למידה פעילה: מכניקה רב ייצוגית

 פרויקט במסגרת קול קורא 2 לקידום יישומי טכנולוגיות למידה

 

דוד פונדק

ראש היחידה לתקשוב בהוראה, המכללה האקדמית להנדסה אורט בראודה, כרמיאל

סעיד מחאג'נה

היחידה לפיזיקה, המכללה האקדמית להנדסה אורט בראודה, כרמיאל

 

בדומה למכללות ואוניברסיטאות בארץ ובעולם, אף במכללה האקדמית להנדסה אורט בראודה אנו נפגשים בקשיים גדולים של סטודנטים להתמודד עם הדרישות האקדמיות של קורסי מבוא למדעים [1- 3]. הקול הקורא השני של המועצה להשכלה גבוהה ייצר הזדמנות לשפר את סביבת הלמידה וההוראה של הסטודנטים, בהישען על המחקר בהוראת המדעים. במסגרת הקול הקורא השני שולבו בהוראת הפיזיקה כלים רבי חשיבות כגון: בודק מטלות ברשת [4], הוראת עמיתים [5], עבודה בסיוע מחולל הדמיות [6] ועבודה בסיוע הדמיות [7]. במסגרת זו פותחה בשיתוף פעולה עם מכללת דיוויסון בצפון קרולניה סביבה עשירת הדמיות במכניקה [8], וכיום מפותחת סביבה דומה בחשמל ומגנטיות.

סטודנטים בפיזיקה צריכים להתמודד עם אתגר מורכב של לימוד מספר שפות באותו זמן. כדי להבין פיזיקה כראוי יש צורך לייצג את העולם בעזרת: איורים, גרפים, מושגים, משפטים, ביטויים מתמטיים [9]. כל אחת מהשפות הללו מציגה את המציאות באור שונה והסטודנט צריך למצוא את הדרך לעבור משפה לשפה בשעה שהוא מנסה ללמוד נושא חדש או להתמודד עם בעיה פיזיקלית הדורשת ניתוח מצב נתון, לדוגמא: המראה של טיל לחלל, רכיבה על אופניים, סיבוב ידית של דלת או חיבוק אדם קרוב. מצבים אלה מכילים היבטים פיזיקאליים, לבד מהיבטים נוספים חשובים לא פחות. אך כדי להבין את מורכבות ההיבטים השונים, ולעתים קרובות לנבא מה יקרה בהמשך, או מה קרה בעבר, יש צורך לנתח את המצב במספר שפות ולהבהיר את הקשר ביניהן [10], ראה איור 1.

 

איור 1: הדמיה לדוגמא מתוך סביבת "מכניקה רב-ייצוגית" המתארת שינוי האנרגיה של גוף מתגלגל במדרון, ומתן נתונים לגבי: הזמן, מיקום גוף, זווית הסיבוב, מהירות התנועה, אנרגיה סיבובית, אנרגיה קינטית קווית, אנרגיה פוטנציאלית.

רכישת שפות הפיזיקה איננה נעשית בדרך אחת. בדומה ללימוד שפה מדוברת, שיש לתרגלה בדרכים רבות, ראוי שלימוד הפיזיקה יעשה בסביבות שונות בחדר הכיתה, במעבדה, במטבח, בכביש או במגרש הספורט. לשם כך פיתחנו את סביבת הלמידה "מכניקה רב ייצוגית", ובה למעלה מ-300 הדמיות בפיזיקה בנושאי מכניקה. רבות מההדמיות מכילות: איורי מערכת, גרפים, שליטה על זמן ההתרחשות של המאורעות הנחקרים, ייצוגים וקטוריים או ייצוגי אנרגיה, השוואה בין מערכות שונות, ייצוגים מילוליים ועוד. בדרך זו ניתן להעשיר את הקשרים והמודלים שבונה הסטודנט במהלך הלמידה. לסטודנט שליטה מלאה על רבים מהמשתנים, וכך הוא יכול לבחון את השפעתו של משתנה מסוים לאורך זמן התרחשות ההדמיה. הסביבה כוללת ספר, תקליטור ואתר אינטרנט המתעדכן תדיר.

כתובת האתר:  http://braude.ort.org.il/physlet

בספר זה מוצגים תכנים במכניקה של קורסי המבוא בפיזיקה ברמה אקדמית, והם הולמים גם את תכני המכניקה בלימודים התיכוניים. ההדמיות מבוססות על יישומי ג'אווה – Java applets. בספר ובאתר שלושה-עשר פרקים, ובהם תרגילים משלושה סוגים: הדגמות, חקירות ובעיות.

 

 

איור 2: עטיפת הספר מכניקה רב-ייצוגית המכילה למעלה מ- 300 הדמיות בכל נושאי הקורס פיזיקה 1.

 

הדגמות: נועדו להציג בפני הכיתה או סטודנטים יחידים, עקרונות או מושגים פיזיקאליים. הסטודנטים עורכים חקירה של ההדמיה והוצאת נתונים ממנה. לעיתים, נתונים אלה קשורים למיקום, לזמן, לכוחות הפועלים על גוף, או למשתנים אחרים, אותם יש לשלוף מתוך סביבת ההתרחשות. זאת, בניגוד לבעיה מסורתית, שבה בדרך כלל המשתנים מוצגים באופן מפורש בבעיה.

חקירות: מדריכות את הסטודנט בחקירת מצבים פיזיקאליים, תוך מתן רמזים או הצעות להתמודד עם דרך פתרון בעיות. בחלק מהחקירות מתבקש הסטודנט לשער או "לנבא" את תוצאות ההרצה של ההדמיה, ולאחר מכן לערוך תצפיות. בהמשך, הסטודנט מברר את ההבדלים בין השערותיו לבין התוצאות שהתקבלו ומנסה להסבירם. חקירות אחרות מבקשות מהסטודנט לשנות פרמטרים שונים בהדמיה ולעקוב אחרי השפעת השינויים.

בעיות: זוהי סביבה אינטראקטיבית של בעיות פיזיקאליות, המתארות בדרך כלל רצף מצבים על פני ציר הזמן. הסטודנט יכול לחקור את השתנות תנאי הבעיה ברצף הזמן או המרחב. הבעיות שונות מאוד ברמת הקושי, החל מבעיות שבהן נדרש ידע פיזיקאלי מצומצם וכלה בבעיות שכדי לפתור אותן נדרש הסטודנט לצד ידע פיזיקאלי נרחב להכיר גם כלים מתמטיים מחשבון אינטגראלי ודיפרנציאלי

בקורסי מבוא בפיזיקה קיימת נטייה להצגת נושאים רבים בצורה פורמלית תוך דגש על הייצוג המתמטי של מציאות פיזיקאלית מורכבת. הלימוד בסיוע "מכניקה רב ייצוגית" מעשיר את המודלים הנלמדים, ותגובות הסטודנטים מעודדות. קיימות עדויות כי ההדמיות מסייעות להם בהבנת מושגים וקשרים בפיזיקה טוב יותר, מאשר בסביבה חסרת הדמיות שכאלה [11].

 

 

 

מקורות

[1] Pundak, D. Rozner, S. (2002). Improving Teaching Physics and Basic Academic Courses by Just in Time Teaching. Announcer. Vol. 32 summer p. 112.

[2] Pundak, D. Maharshak, A. (2003). Teaching Physics – The Marketing Concept. Announcer. Vol. 33, 2, summer pp 135

[3] Pundak, D. Rozner, S. Maharshak, A. (2005). The Physics Teacher Facing the Challenge of Change. Announcer. Vol. 35, 2, summer pp 133.

[4] Pundak, D. Maharshak, A. Rozner, S. (2004). Successful Pedagogy with Web Assignments Checker. Journal of Educational Technology Systems, Baywood Publishing Company, Inc., NY. Vol. 33, 1, pp 67-80.

[5] Mazur, E., (1997). Peer instruction. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall.

[6] Roth, Wolff-Michael (1995). Affordances of Computers in Teacher-Student Interactions: The Case of Interactive Physics. Journal of Research in Science Teaching, Vol. 32,4 pp329-47

[7] Maharshak, A. Pundak, D. (2004). Active Physics Learning – Combining the Marketing Concept with Information Technology. Journal of Educational Technology Systems, Baywood Publishing Company, Inc., NY. Vol. 32, 4, pp 399-418.

[8] Christian, W. & Belloni, M. (2004) Physlet Physics. Prentice Hall.

[9] Van Heuvelen, A., (1991). Learning to think like a physicist: A review of research-based instructional strategies, American Journal of Physics. Vol. 59, pp 891-897

[10] Heller, P., Keith, R., & Anderson, S. (1992). Teaching problem solving through cooperative grouping. Part 1: Group versus individual problem solving. American Journal of Physics. Vol. 60,7, pp 627-635.

[11] Belcher, J.W. & Olbert, S. (2003). Field line motion in classical electromagnetism, American Journal of Physics, Vol. 71, 3, pp. 220–228